基于布局优化的学校建设规划信息管理系统设计

吕玉香，戴 红，辛 宏

(1.山东建筑大学 建筑规划设计研究院，山东 济南 250013；2.山东省水利勘测设计院，山东 济南 250013)

随着城镇化进程的加快和产业结构的调整与升级，科学合理地开展学校布局规划和学校建设项目规划，成为教育规划管理部门的重要任务。2012年，教育部发展规划司提出，当前的核心任务是设计开发学校建设规划信息管理系统，以辅助各级各类学校管理者直观把握学校基本建设的现状和布局规划情况。因此，设计开发适用于各级各类学校基本建设管理者需求的学校建设规划地理信息系统，是本文研究的重点。

地理信息系统(GIS)技术是近些年迅速发展起来的一门空间信息分析技术，不仅可以有效管理具有空间属性的各种资源环境信息，还可将数据收集、空间分析和辅助决策综合一体，为资源合理配置提供技术支持。因此，20世纪90年代末以来，随着GIS的发展，文献[1-3]开始将GIS引入学校布局规划中，借助GIS研究学区划分、学校选址、学校规模调整等问题。在国内，随着GIS技术的日趋成熟，WebGIS已广泛应用于城市公共服务设施选址规划中[4],但WebGIS技术应用于学校布局规划研究，还处于起步阶段。近年来，文献[5-8]开始关注学校布局规划的合理性问题，并借助于GIS技术进行区域学校布局规划分析。

由于经济、历史、地理等多种原因，我国各级各类学校发展不均衡的问题仍然存在，城乡之间、地区之间、校际之间的教育发展差距很大。尤其是近年来，我国一些地区学校布局结构不合理现象日益凸显，部分学校办学条件不达标[9]，学校基本建设规划成为当前教育发展改革的重要任务。同时，传统的逐级书面报送汇总的静态规划信息管理方式弊端凸显，数据收集周期长、数据描述粒度粗，已难以适应学校布局规划调整和学校建设规划项目监管的需要。目前国内尚未见到成熟实用的省级以上的学校基本建设规划信息管理系统。因此，设计开发科学、直观、智能的学校基本建设规划信息系统，对于辅助教育管理者进行学校建设规划决策具有重要意义。

1 系统总体设计

1.1 系统建设目标

学校建设规划信息管理系统以地理信息技术为载体，以加强建设项目规划能力、展示规划成果为目标，基于学校基本建设管理的全过程进行设计开发，力求形成以教育规划目标政策体系引领学校建设、以建设项目信息管理监控教育资金投入、以形象化地图呈现规划成果的闭路循环，引导学校基本建设螺旋式上升、不断自我完善。各级管理者应以目标政策体系为指导，建立推动教育基建发展的学校地理空间数据库和学校建设项目数据库，并以地图形象化呈现国家、省、市、区(县)、学校和单体建筑等不同层次的基建规划情况。

1.2 系统体系结构

学校建设规划信息管理系统面向各级教育行政管理部门和学校基建管理者提供服务，其体系结构总体上可概括为“四级规划数据中心，五级应用系统”。四级规划数据中心即国家级、省级、市级、区(县)级规划数据中心，五级应用系统即国家级、省级、市级、区(县)级与校园级建设规划信息管理系统。不同层级的系统功能有所差异，除校园级建设规划信息系统用于采集管理校园建设布局的和规划建设项目布局信息外，其它各级系统主要以采集、管理辖区内学校基建规划成果为主，并可以查看、审核、汇总下级系统的相关信息。

图1 系统架构图

1.3 系统总体构架

系统分为基础支撑层、空间数据层、系统管理层、信息服务层、业务应用层5个层次，总体架构如图1所示。其中，空间数据层十分关键，又分为基础空间数据和专业空间数据，专业空间数据主要为学校建设规划专题地图制作提供数据基础。信息服务层和业务应用层面向终端用户，直接为用户提供专题地图制作、区域基建概要统计、办学条件分析等相关服务。

2 系统主要功能

图2 某区域各类调整学校布局规划图

学校建设规划信息管理系统的主要功能包括：学校建设规划制图、学校基建概要、规划建设项目管理、办学条件分析与预警、规划建设信息发布等。

2.1 学校建设规划图

学校建设规划图以规划学校的地理位置标注为基础，主要目标是制作学校规划专题电子地图、直观呈现学校建设规划布局(如图2所示)和规划建设项目布局(如图3所示)，同时提供影响学校布局规划调整的相关信息，如：人口密度、交通、地质、水文、周边环境等信息，多方位、多角度辅助学校规划布局的科学决策。尤其是在三维的校园地理信息系统中[10]，可以更直观清楚的展示影响学校建设布局的相关信息(如图4所示)。

2.2 学校基建概要

学校基建概要信息主要分类统计呈现区域内的学校基本建设概况、建设工程情况等信息。面积情况主要按学校性质统计各类学校的现有建筑面积和需要增加的面积，也可以查看区内某所学校的基建概要信息。

图3 某区域教师周转房规划项目分布图 图4 某学校规划建设项目布局图

区域建设工程规划信息汇总区域所有学校规划建设的工程项目信息见表1，位置及周边环境信息可在电子地图中查看。

表1 某省2013年拟建工程项目规划表(部分)

2.3 规划建设项目管理

规划建设项目管理主要是对经教育规划管理部门批准的建设项目进行管理、监控，具体包括建设项目报批、建设项目资金管理、建设项目进度汇报、建筑形象展示等功能，主要包括：建设性质(新建、改扩建、利用闲置校舍等)、建设规模(项目建筑面积)、设计单位、施工单位、监理单位、招标时间、土地征用时间、开工时间、完工时间、验收时间、审计时间、交付使用时间、投资金额、支付工程款等。规划建设项目管理功能不仅能有效辅助各级管理和决策人员开展工作，还能规范项目工程建设方的行为，监督控制工程质量、工程进度及施工安全。运用VR(Virtual Reality,虚拟现实)技术的学校级建设规划信息管理系统，还可以辅助规划建设项目的方案论证，直接在三维环境中展示建设方案及其与周边环境和学校整体规划布局的关系，使项目建设符合学校总体建设规划，提高项目投资决策水平。此外，系统还支持对规划建设项目的基建档案数字化管理，即以规划建设项目为组织单位，按照基建管理程序，收集规划—设计—施工—竣工验收等环节的相关档案，数字化扫描转换后，分类存储归档，以提高建设规划项目档案检索和利用效率。

2.4 办学条件分析预警

学校办学条件分析主要用于分析区域内学校的基本办学条件。系统可根据普通高等学校建筑规划面积指标(简称92指标)、十二五规划、中长期规划指标对学校基本办学条件进行审核，并提供相应的差额信息(见表2)，进行办学条件预警，从而有计划的开展建设项目规划，逐步改善学校办学条件。另外，也可以对辖区内学校单体建筑的使用年限进行预警，统计辖区内超期和到期建筑的数量，还可对区域内学校的服务半径、办学规模预警，作为学校布局规划调整和建设项目规划依据。

2.5 规划建设信息发布

规划建设信息发布主要用于提供教育基建规划目标与政策体系、学校基建规划审批结果公示、基建管理部门通讯录、教育基建学会的会议通知、会议报道、新闻信息等(见图5)，提高日常办公效率。

表2 某学校2013年学校办学条件分析表(部分) 人·m-2

3 关键技术实现

图5 规划建设信息发布

3.1 WebGIS的实现

WebGIS是建立在Web技术上的一种特殊环境下的地理信息系统。WebGIS在互联网或网络环境下可以存储、处理、分析、显示和应用空间信息，能够在互联网平台下实现复杂、大规模的地理信息服务。WebGIS消除了单机GIS的限制，使GIS功能(应用逻辑)能够在互联网环境下运行，无限拓展了GIS的服务范围。

WebGIS的实现模式是指如何在网络中实现并部署GIS应用逻辑和表示逻辑〔8〕。目前，WebGIS的实现模式主要有3种。1)基于服务器端的模式。该模式将WebGIS的应用逻辑全部部署在服务器中，表示逻辑在客户机中；2)基于客户端的模式。该模式将GIS应用逻辑和表示逻辑全部部署在客户机中，服务器只负责管理GIS数据，客户与服务器的交互主要是数据的提取与存储； 3)分布式模式。该模式将以上2种模式结合，即将系统应用逻辑在服务器端和客户端进行分配，其目的是避免基于服务器端的模式响应速度较慢和基于客户端的模式效率不高的问题，使系统整体负载得以平衡，从而提高运行效率。

3种模式的主要区别在于如何在客户端和服务器端部署这些功能模块(应用逻辑)以及实现这些功能模块的难度。基于服务器端的模式只涉及到服务器端应用程序开发，而且目前各项技术已经很成熟，因此开发难度较小。基于客户端的模式对系统客户机要求较高，而且一些较复杂的GIS功能在客户机上实现起来较困难，因此具有一定的难度。分布式模式需要在服务器应用程序和客户机应用程序之间进行通讯和协调，开发难度最大。

考虑到系统需求和系统用户的计算机操作能力，山东省学校建设规划地理信息系统开发采用的是基于服务器端的模式。在具体开发时，选择Server API、J2EE、ActiveX等技术进行系统开发。

Server API是为解决CGI应用程序效率低下问题而研发的，是一种经过扩充的CGI工具。利用Server API开发的应用程序以一种共享库的形式工作，如Windows环境下的DLL和UNIX环境下的SO，这些程序一经启动便作为一个进程长期运行于服务器中，服务器可以通过进程间通讯协议(Inter-Process Communication，IPC)与这些程序进行信息交换，因此避免了CGI程序频繁启动造成的服务器中进程数量急剧增加的问题。基于Server API的WebGIS的工作方式和组成与采用CGI技术时基本相同。目前，Server API的技术规范主要有Microsoft的ISAPI和Netscape的NSAPI。不过由于Server API没有统一的标准，所以一旦采用了某种Server API，那么服务器端将依赖于这种服务器程序。

Java是新一代的网络应用程序开发语言，具有跨平台、完全面向对象的显著特点。Java Applet是可以运行在浏览器中的小应用程序，Servlet、JSP是J2EE平台下的两项技术，可以运行于服务器中，与CGI具有相同的功能，但Servlet程序是一种进程内的应用程序，Servlet程序一旦启动便长期运行于服务器中，对以后的请求服务器只在该进程内启动一个线程进行处理。同时利用Java Bean、EJB等技术可以构建出多层、分布式的应用模型。采用Java语言开发WebGIS主要有两种形式：一种是仅采用Java Applet技术开发客户端，所有的应用逻辑都部署在客户机中；另一种是服务器端和客户端都开发Java程序并分布应用逻辑。

ActiveX是由Microsoft开发的一套应用于网络应用程序开发的技术。利用ActiveX技术开发出具有GIS功能的ActiveX组件，当用户访问GIS服务器时，这些组件将伴随Web页面一起下载到客户机中并由它们处理GIS数据。

3.2 空间数据的组织

GIS的优点是善于处理海量复杂的空间数据。但是与普通数据相比，空间数据(栅格数据和矢量数据)的数据量相当大，其结构特点不符合关系型范式的规范，因此，无论在数据存储方面，还是传输方面都与普通数据有很大不同。

要在目前流行的关系型数据库上存储和管理空间数据必须要有以下两种技术作为支持：1)扩展关系型数据库。对象-关系型数据库管理系统(ORDBMS)是在关系型数据库管理系统中引入对象类型，并遵循对象存储标准(SQL-99，SQL-99等)的基础上对SQL语言进行扩充，可以充分利用关系型数据库系统的原有技术。2)空间数据引擎。建立空间数据服务器，即空间数据引擎，以当前的关系数据库为基础，进行扩充和完善。在数据存储和组织上，将空间数据项作为单独的列加入到关系数据库表中，用户可对表中数据进行查询、合并等操作，还可以进行由空间数据查属性和由属性查目标的空间分布等操作。这些空间查询操作都可以在服务器端进行。满足查询条件的数据在服务器端缓冲存放并返回给客户端，这种缓冲存放的方法降低了网上负荷，提高了效率。在数据查询和访问上，采用标准的SQL命令来访问和操作数据(包括对数据的增、删、改)。在提高查询速度上，大多引进四叉树、R树等空间索引技术。扩展关系型数据库和空间数据引擎各有特点，面向不同用户。前者提供一个完全开放的数据库空间数据管理架构，所提供的空间数据存储、管理功能与数据库服务器完全集成。其核心是数据库的空间化扩展，实现简单空间要素(点、线、面)和复杂要素(组合线段、组合图斑)的存储，建立高效的索引机制，面向的是完全从底层开发WebGIS应用程序的开发者。而后者是通过中间件技术来提供空间数据和特定软件平台接口，在空间数据处理效率上优于前者，而且支持标注类型数据和影像数据的索引，面向的是在特定WebGIS软件平台上做二次开发的用户。

从空间数据的传输上来看，网络空间数据传输有两种方式，即栅格数据传输方式和矢量数据传输方式 。栅格数据传输时，客户端向服务器发送一个地图请求后，空间服务器根据要求产生一个地图，并对该地图做一个图像“快照”(图像格式是网络传输允许的格式)，客户端发送新请求时，就产生一个新图片。客户端只需发送带有地物位置信息等相关GIS 参数的请求，其它操作由服务器后台程序完成。该方式实现起来比较容易，与普通网站传输图片技术类似。数据传输量小而频繁，适合对客户端基本不要求定制地图的场合。矢量数据传输时，客户端向服务器发送一个地图请求后，空间服务器根据要求产生一个地图，将该地图的矢量数据传输到客户瑞，在客户端直接运行GIS操作程序。当需要新矢量数据时(如增加图层、显示范围扩大、更新地图数据等)，再由服务器传送新矢量数据到客户端。服务器端只完成组织和传送数据工作，其它工作由客户端完成。矢量数据传输方式实现起来较为复杂，在客户端需要下载插件。数据传输量大而不频繁，适合要求要素标注、符号化、地图提示操作等在客户端实现的场合，支持客户端的用户交互和分析功能。

在山东省学校建设规划地理信息系统开发过程中，主要采用MySQL Server 作为存储空间数据的数据库，百度公司的地图引擎作为空间数据引擎，空间数据传输采用矢量数据传输方式。

4 结语

学校建设规划信息管理系统以WebGIS为核心技术，以VR、遥感技术为辅助，直观呈现学校建设规划成果的空间布局，为各级教育管理者进行学校基本建设规划科学决策提供信息支持，并将地理信息与影响学校基建规划的其它信息有机结合，将促进学校基本建设更加科学、规范、快速的发展。

参考文献：

[1]Antunes A, Peeters D. A Dynamic Optimization Model for School Network Planning [J].Socio-Economic Planning Sciences,2000,34(2):101-120.

[2]Pizzolato N D,Barcelos F B, Lorena L A N.School Location Methodology in Urban Areas of Developing Countries [J].International Transactions in Operational Research,2004,11(6):667-681.

[3]Steven J,Hite.School Mapping and GIS in Education Micro-Planning[EB/OL].[2012-08-09](2013-10-10).http://www.iiep.unesco.org/fileadmin/ user_upload/ StevenHite.pdf.

[4]孟付明,李海鹏,杨长岭.地理信息系统在城市工程管线综合规划中的应用[J].山东建筑大学学报,2009,24(2):180-183.

[5]李俊峰.基于GIS的城市学校信息系统的设计与研究[J].广西轻工业,2008,24(6):90-91.

[6]孔云峰.利用GIS与线性规划学校最优学区划分[J].武汉大学学报：信息科学版,2012,37(5):513-515.

[7]赵丹,吴宏超.农村学校撤并对学生上学距离的影响——基于GIS和Ordinal Logit模型的分析[J].教育学报,2012,8(3):62-73.

[8]赵丹.农村学校布局调整的过程、问题及结论——基于GIS的分析[J].教育与经济,2012(1):13-16.

[9]雷万鹏,谢瑶.义务教育学校布局:影响因素与政策启示[C]//2010年中国教育经济学学术年会论文集.北京：中国教育学会教育经济学分会,2010:15.

[10]孙英君,丁宁,王倩.基于二三维联动机制的数字校园系统研究[J].山东建筑大学学报,2009,24(4):377-380.